基于虛擬現實技術的職業學校網絡課程中實訓室建設

吳 旭

蘇州工業園區工業技術學校，江蘇 蘇州 215123

隨著網絡技術的高速發展，通過網絡課程學習不僅可以通過圖形和視頻圖像看到遠方的機器設備，通過動畫來了解設備的結構和動作原理，而且學習者還想隨心所欲地能夠自己動手去觸摸、控制這些設備，從而增強操作能力，這就需要為這些機器設備建立三維模型，要能具有人機交互的功能。也就是說要構建—種虛擬設備的環境，學習者能處身其中，感受到這些虛擬設備的存在。這就要用到虛擬現實技術。在職業學校中，往往有些課程在實施中成本高，滿足不了學生反復觀察和操作的教學實訓要求，因此在職業學校網絡課程的設計中，應用虛擬現實技術來構建開發虛擬實驗室作為教學實訓的補充。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是在計算機多媒體技術廣泛應用后興起的更高層次的技術，它充分利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術及高分辨顯示技術，形成一個三維逼真的虛擬環境，具體地講：虛擬現實技術是利用計算機技術生成一種模擬環境，通過多種傳感設備使用戶“投身”到該環境中，實現用戶與該環境能夠直接進行自然交互的技術。

虛擬現實技術的主要特點包括以下3個方面：第一，更加自然的交互性。用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）更加自然；第二，多重感知性。除了具有一般計算機所能有視覺和聽覺感之外，還有其他一些感知，比如力學感知、觸覺感知、運動感知、甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實就是應該具有人所具有的所有感知功能；第三，沉浸性。是指用戶作為虛擬環境中的一員存在于虛擬環境之中，即感覺到身臨其境。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度，使得參與者產生一種身臨其境、投入和沉浸其中的感覺。

從本質上說，虛擬現實技術就是一種先進的計算機用戶接口技術，它通過給用戶提供諸如視、聽、觸等各種直觀的同時而又十分自然的具有實時感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作。

根據虛擬現實實現的手段，我們可以把虛擬現實技術分為以下兩大類：一是使用專用的硬件設施來實現的虛擬現實技術，但是由于硬件設施的價格昂貴、操作復雜，因此使用專用硬件的技術近期不可能普及，只能停留在實驗室或者小范圍試用階段；二是通過Internet在個人計算機上實現的虛擬現實技術，在Internet網上，我們可以應用VRML語言、全景環視技術、Java語言等技術來實現虛擬現實，也稱網上虛擬現實技術。它是桌面虛擬現實與Internet相結合的產物。其優點是使用更加簡單，便于推廣。

2 VRML技術

眾所周知，World Wide Web是基于HTTP的網絡協議和超文本的信息內容的基礎上而建立起來的，HTML語言描述了不同類型文本、圖像、聲音、視頻如何進行超文本的二維表示格式和方法。HTML是面向二維的，它規定二維文檔如何表示。但是隨著網絡技術的發展，很多領域都需要突破這種二維限制，以便能夠實現環境與參與者的動態交互功能，于是，一種能夠描述三維文檔表示的語言VRML應運而生。VRML的出現使得虛擬現實像多媒體和Internet一樣走進了人們的生活，簡單地說，以VRML為基礎的第二代萬維網是多媒體、虛擬現實和因特網技術之總和。

VRML是一種放的、可擴充的三維場景建模語言，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構建虛擬境界（Virtual World）。VRML的基本目標是建立因特網上的交互式三維多媒體，基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、境界逼真性等。

VRML是面向三維的，它描述的是在World Wide Web上能夠創建出和瀏覽三維的一些場景。由于二維是三維的一個子集，所以說法所有二維對象都能在三維環境中輕松地表示出來。web之父Tim Berners-Lee預測，VRML是web的未來，對人們來說，沉浸在三維空間之中要比在二維平面上按動鼠標要自然得多。VRML是以因特網作為應用平臺，利用一定的工具，就可以瀏覽和創作出具有文本、圖像、動畫、聲音、音樂，甚至視頻的豐富多彩的三維世界。現在，由于加入了與Java和Javascript程序的接口將支持復雜的三維動畫、模擬和行為，設計者可以引導參觀者在三維空間游覽并把注意力放在感興趣的問題上，而不是要強制參觀者做出選擇，就像在現實世界中，如何去觀察一個對象完全是由人們自己做出控制一樣。事實上，目前采用VRML技術在很多領域已取得了成功，例如探路者到達火星后的信息就是利用VRML在網上即時發布的，網絡用戶可以以三維方式隨探路者探索火星。

總之，VRML能夠創造出融多媒體、三維圖形、網絡通信、虛擬現實為一體的一種新型媒體，兼具先進性和普及性。

3 職業學校網絡課程中虛擬實訓室設計

熟練的操作技能或現場解決技術問題的能力是職業學校網絡課程內容的重心所在。網絡課程的設計應該強化學生職業能力訓練，綜合開發學生的職業能力，提高學生就業上崗和適應職業變化的能力以及增強課程的靈活性，適應行業和社會對應用型人才規格多變的需求。

職業學校人才的培養必須要有培訓場所（如實習車間、實習基地）和實驗、實訓設備。教學設施與設備不僅品種多、數量大，而且更新快.這勢必造成職業技術教育的投入量大。此外，高價的現代化設備（如數控機床），也無法讓學生有足夠的機會來反復操練，難以達到工作崗位業務要求的水平。

在職業學校網絡課程的設計中，應用虛擬現實技術構建和開發虛擬實訓室成為必然，作為日常教學實訓的補充。以便能為學習者提供真實的情境或提供實際操作的模擬，讓學習者首先通過感性認識快速進入知識的學習；安排真實環境中真實任務，讓學習者獲得專家所具有的技能。

網絡課程中虛擬實訓室就是通過WWW創建一個可視化三維立體環境，其中每一個可視化的三維物體都代表一種試驗對象，通過鼠標點擊等操作，用戶可以進行虛擬控制等操作從而能夠達到試驗和訓練目的。

虛擬實訓室的主要優點有：一是使用非常方便，無需回到現實的實訓室，隨時隨地只要能上網就可以開展訓練；二是成本低廉；三是減少干擾，可以避免現實實訓室中無關干擾，比如設備故障等。四是應用廣泛，以網絡為載體，適應性好。

在應用虛擬現實技術構建和開發虛擬實訓室中注意以下問題：

1）明確所要操作任務的目標

學習者是否能夠明確操作任務，對完成的目標是否清晰，能否形成符合自己能力水平和任務難度水平的目標，是影響學習者操作效率的重要因素。在演示操作之前，應向學習者介紹并說明具體操作任務的目的或目標。

2）操作過程演示和示范的設計

（1）引起學習者對示范操作的注意

要學習者掌握所演示的操作，首先要讓學習者對示范內容中的關鍵部分引起注意，在設計中可以利用視覺上明顯的對比和差異引起注意。另外還應該注意堅持簡潔性原則，在畫面中應盡可能刪除無關的背景和多余的細節。

（2）模擬真實的任務情境

要模擬實際的操作過程，需要提供真實的任務情境，其中包括呈現真實的操作環境、操作過程以及真實的操作結果等。

（3）選擇適當的媒體，清晰示范操作過程

對實際任務情境以及操作過程的示范，需要適當的媒體表現形式。例如，對計算機軟件操作過程的模擬，主要通過界面抓圖和Flash動畫結合的方式來模擬。

（4）按順序逐一演示操作步驟，同時給予必要的講解

按照實際操作的流程或順序進行示范，對每一個步驟的操作給予適當的講解，說明其要領和注意事項。

（5）適當的示范速度和信息量

操作過程的示范速度不宜過快，每次進行示范的操作步驟不宜過多，對于較難的任務，可以將整個操作過程分為幾個小部分，依次示范講解。實際操作過程中，為了讓學習者掌握操作過程，應給予學習者控制示范操作速度的權利，使其可以根據自身情況選擇上一步操作示范、下一步操作示范以及重復示范等。

3） 學習者模擬操作的設計

系統在學習者模擬操作的過程中，應該跟蹤記錄學習者每一次交互行為，對每一次交互行為提供反饋信息，及時強化學習者的操作行為，促使學習者掌握正確的操作過程，消除不正確的操作行為。反饋信息可以是聲音信息、文本信息或動畫等形式。在學習者遇到困難時，系統應及時為學習者提供適當的操作提示或幫助。在學習者操作錯誤的地方，再提供適當的講解。

[1]武法提.國外網絡教育的研究與發展.北京：北京師范大學出版社，2003.

[2]李克東.教育技術學研究方法.北京師范大學出版，2002.

[3]祝智庭.現代教育技術一走進信息化教育.高等教育出版社.